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激光半导体陶瓷
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一文看懂半导体脉冲激光器发展!
发布时间:2022-08-10 02:56:56 来源:华体会体育官方 作者:华体会体育在线
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  半导体激光器具有体积小、结构简单、功耗低、光/电转换效率高和易于调制等特点,在民用和军用方面有较好的应用前景[1-5]。目前,半导体激光器在通信、测 距、加工和医疗等领域应用广泛[6]。随着半导体光电子技术的发展, 各行业对半导体激光器的需求愈发强烈,对其性能的要求也越来越高。

  半导体激光器的驱动源分连续型驱 动和脉冲驱动 2 种模式。连续型驱动模式一般在激光二极管(LD)的阈值条件附近设置直流偏置,调节驱动电流控制其输出,在此过程中必须为 LD 增设反馈网络,通过负反馈调节实时控制驱动电流,确保 LD 稳定地工作;脉冲驱动模式中的驱动源以特定脉宽、 频率的信号驱动LD,对于脉冲电流纹波要求不高的场景,一般无需增设上述反馈网络。因此,脉冲驱动模式更具发展潜力。在脉冲驱动模式下, 由于驱动过程中只在 PN 结产生微弱的热效应,故在半导体激光器输出功率较低的情况下可以不为其增设温控系统。与连续驱动模式相比, 脉冲驱动模式下的 LD 能承受的脉冲信号幅值较高,导致 LD 输出光束的能量强度较大[1]。因此,研制具有较高技术指标要求(如研制脉冲参数、输出功率和重复频率等) 的窄脉冲半导体激光器具有重要的意义。本文综述半导体脉冲激光器的发展与研究现状,并对半导体激光器性能的提升方式进行介绍。

  目前, 半导体激光器性能的提升方式主要有2种:一种是优化半导体激光器结构、材料和加工工艺;另一种是提升半导体激光器驱动电源特性[9]。

  改良激光器与其驱动电路的结构、优化工艺技术和提升半导体材料的性能,可增强半导体激光器的各项性能指标,尤其是新型半导体材料的不断创新使其性能提升更具发展潜力。

  改进激光器管芯结构,能有效提高激光器输出功率。2009 年,中国科学院陈彦超等人[11]将驱动电路与激光器管芯集成封装成整体的激光器模块,得到了脉宽为 7 ns、 最大光功率为 176 W 的大功率窄脉冲,其多管芯阵列排序示意图如图 1 所示。单管半导体激光器作为窄脉冲激光光源时输出光功率小,激光器多管芯组合虽能实现大功率输出,但其结构等效电路的参数提取困难。针对这一问题,2012 年,长春理工大学辛德胜等人 [12] 提出了提取驱动电路参数的一种简便方法——基 于 外 特 性 测 量 法,并 应 用 此 方 法 设 计 了 一种板载结构的半导体激光器驱动电路, 得到脉宽为8.3 ns、输出功率为 180 W 的光脉冲。

  近年来,半导体锁模激光器在结构方面的研究也取得进展。2012 年,STRAIN M J 等人[13]提出了一种紧凑 的 半 导 体 锁 模 激 光 器(DBR MLL),其 几 何 结 构 如图 2 所示,该结构主要由 3 个部分组成:可饱和吸收器(SA)、增益(GS)和分布式布喇格反射器(DBR)。采 用 DBR 的频谱滤波在各种驱动条件下产生 Q 开关锁模,表现出了强大的无源开关锁模能力。锁模脉冲宽度约为 3.5 ps, 脉冲峰值功率与平均功率比高达 121, Q 开关在频率 1~4 GHz 连续可调。2014 年,中国科学院与英国邓迪大学[14]联合研制了针对 760 nm 波段的第一个半导体锁模超短脉冲激光器——基于 AlGaAs多量子阱结构的多节 LD 被动锁模, 该激光器产生波段大约为 766 nm 的脉冲,其脉冲持续时间大约低至4 ps,在激光腔长度为 1.8 nm、1.5 nm 时,其对应的脉冲重复率分别为 19.4 GHz、23.2 GHz。

  随着加工技术的发展,工艺精度不断提高,有利于提升激光器性能。2016 年,HE Y 等人[15]采取 0.13 μm集成互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,设计了 全集成 CMOS 驱动电路, 用超短电流脉冲直接调制 LD的方法来生成皮秒激光脉冲,其模具显微图如图 3 所 示。该 CMOS 驱动电路由压控环形振荡器、压控延迟线 个子电路组成。其中,振荡器产生的初始方波与延时方波进行异或,异或电路因此产生超短电流脉冲;再将 CMOS 芯片封装后与印制电路板(PCB)上的 LD 互连,有效 降低了寄 生参数的影响。此激光源的输出光脉冲的脉宽为 151 ps,重复频率为 5.3 MHz,峰值功率为 6.4 mW。

  2017 年,华东师范大学和东京大学[16]采用 40 nm微 电 子 工 艺 技 术, 联 合 设 计 了 一 种 低 成 本 的 集 成CMOS 脉冲发生器, 通过外围电路将 CMOS 脉冲发生器转换为最小脉宽为 80 ps 且可调的电动脉冲管,其可调谐输出电压为 0.9~1.5 V,宽调谐范围可达 270 ns。根据激光系统的增益开光特性, 用此电脉冲直接驱动半导体激光器,在电脉冲宽度调谐到大约为 1.5 ns 时,激 光 器 能 产 生 脉 宽 为 100 ps 的 光 脉 冲 。2016 年 ,HUIKARI J 等人[17]对活性层厚度与约束因子之比 da Гa约为 3 μm、 条宽/腔长为 30 μm/3 mm 的体量子阱 LD进行了测试, 该半导体激光器能实现脉冲能量为 1nJ量级、脉冲长度为100 ps、脉冲幅值为 6~8 A 和持续时间为 1 ns 的电流脉冲。2018 年,TAJFAR A 等人[18]采用160 nm 的单片集成工艺(BCD)技术,设计了一种高功率、高强度和单芯片集成的 LD 驱动器,该半导体激光驱动器能产生脉宽小于 1 ns、 重复频率为 40 MHz 和峰值电流高达 20 A,且完全可编程的电脉冲;另外,他们还通过嵌入电流数/模转换(DAC)的方式,为 LD 提供其所需的阈值电流,改善 LD 的响应时间。2019 年,中国科学技术大学的 FENG B 等人 [19] 提出了一种采用130 nm CMOS 技术的可调幅度和脉宽的激光源驱动器,该驱动器能生成可调脉宽为 300 ps~3.8 ns、峰值电流为 70 mA 以及重复频率为 625 Mb/s 的电流脉冲。

  提升半导体脉冲激光器驱动电源特 性的方法主要有窄脉冲叠加直流偏置、储能元件的应用、高速开关的级联或阵列、可编程逻辑器件的应用以及器件的选型与布局创新等方法。

  早期,研究人员通过窄脉冲叠加直流偏置的增益开关方法获得了超短脉冲。1997 年,天津大学的黄超等人[20]通过增益开关的方法产生了超短光脉冲,该系统输出的光脉冲宽度达到了 ps 级别, 但系统过于复杂,输出功率较低。2000 年,吉林大学的孙伟等人[21]采用窄电流脉冲叠加在直流偏置的增益开关方法使半导体激光器产生皮秒脉冲,通过增大微波功率的方式获得更窄的脉冲,但功耗较高。

  对于特定的电脉冲,激光器存在一最佳的直流偏置,若低于此偏置,激光器输出功率降低、脉宽变宽;若高于此偏置,由于弛豫振荡的影响,光脉冲会出现系列子脉冲,导致激光器输出光脉冲失线]。由此可见,窄脉冲叠加直流偏置法虽然能获得 ps 级别的超短脉冲,但需要在最佳偏置电流情况下才能获得优良特性的光脉冲,有一定的局限性,且功耗高、输出功率低以及系统复杂等问题限制了其发展。

  1992 年,重庆大学 的 刘 䶮 等 人[23]采 用 NPN-PNP互补隔离法将场效应管的脉冲触发信号压窄,并选取合理的电容容值,根据电容快速充电/放电原理,使激光器输出脉冲光,该驱动电路能得到脉宽为 50 ns、0~20 A 连续可调的驱动电流。2011 年,苏州大学的陈祚海等人[24]选用高频晶体管作为快速开关,采用电容和电感作为储能电路, 电容储存能量为 LD 受激输出光脉冲,其调制频率为 52 MHz、脉冲占空比小于 12.5%,输出光功率为 15 mW。

  此后,研究人员通过结合直流偏置的方法,对上述技术进行了改进。2011 年,中国科学院上海光学精密机械研究所的杨燕等人[25]采用高速 CMOS 触发脉冲驱动金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET),通过控制 MOSFET 的导通关断和电容充电放电产生快速的电压跳变,LD 受激输出脉冲光, 其驱动电路主回路如图 4 所示。控制电源 V1、电容和限流电阻的值即可控制脉冲的脉宽与峰值电流。驱动电路中电源 V2 用来提供偏置电流,通过改变偏置电流值达到平滑激光脉冲波形的目的。该驱动电路能得到脉宽为 2.2~4.9 ns、重复频率为 0~50 kHz 和峰值电 流为 0~72 A 的电 脉冲。因此,通过合理地选择储能元件,能有效提升半导体激光器驱动电路的输出功率,但缺点是脉冲宽度无法连续可调,该驱动电路的电源 V1 需几百伏,功耗高。

  研究人员采取高速开关级联或阵列的方法,有效解决了上述储能元件虽能输出大功率但脉宽不可调的问题。

  2005 年,天津工业大学的朱娜等人[26]根据晶体管的雪崩效应,通过两级雪晶体管阵列,获得了脉宽为7 ns、峰值电流为 6 A 的大电流窄脉冲,但此方法的供电电源电压需达到上百伏,功耗大的缺点限制了其发展应用。在此基础上,天津工业大学的刘旭升等人[3]对此行了改进, 通过采用多个雪崩晶体管级联的方法,获得了半峰全宽为 1.51 ns、峰值电流为 12.5 A 和重复频率为 100 kHz 的大 电流窄脉冲, 但供电电源 采用400 V 高压直流电源,仍然存在功耗大的问题。

  2008 年,中国科学院的张寿棋等人[27]研制了脉宽为 10 ns、峰值电流为 20 A 和重复频率为 1 MHz 的连续可调脉冲, 该驱动电路通过双晶体管构成推挽输出,形成常开常闭门对管驱动高速 MOSFET,有效提高了带负载能力,其供电电源电压只需 30 V,解决了大电压、大功耗的问题。为了获得更低功耗的驱动电路,2009 年,NISSINEN J 等人[28]提出了一种 CMOS 电流脉冲 发 生器,其电路结构图如图 5 所示,该发生器采用0.35 μm 的 CMOS 工艺, 由 4 个平行的 n 型金属氧化物半导体晶体管组成,通过缩放驱动缓冲链实现快速切换,获得了脉冲峰值为 1 A、上升时间小于 1 ns 和脉冲宽度为 2.5 ns 的高速电流脉冲。这些步进式控制信号 和简单的脉冲整型技术的供电电压低至 5 V,功耗极低。

  为了实现脉宽更窄的光脉冲。2010 年,中国电子科技集团公司第三十四研究所的辛耀平等人[29]将任意波形发生器作为脉冲信号发生源,电路上应用单极差分放大器、源极跟随器和高速电流开关,研制了脉宽小于 2 ns、 峰值输出功率 mW 级的高速脉冲激光器。其中,高速电流开关由 4 个双极型三极管与 1 个场效应管组成,通过双极型三极管产生的负电容能近似中和与其级联的三极管的密勒电容, 提高了其频率特性,极大缩短了开关时间。但是,电路级联场效应晶体管(FET)数量往往存在限制。2014 年,中国科学院西安光学精密机械研究所的林平等人[30]突破了这一技术难题,将 33 路 GaAs FET 级联设计成整形电脉冲产生电路,用电脉冲直接驱动半导体激光器,可产生脉宽为10 ns、时域调节精度为 330 ps 的任意形状整形激光脉冲。同年,为了实现更大电流的输出,北京大学的陈彦超等人[31]以 MOSFET 为开关器件,将雪崩晶体管作为驱动器,设计了大电流窄脉冲的半导体激光器驱动电路,该电路通过将多个晶体管构成的脉冲发生单元并联,满足了大电流的要求,其中预触发的设计解决了上述并联方式带来的脉宽宽度问题;该驱动电路在供电电压为 195 V 条件下,能产生脉宽为 8.6 ns、脉冲幅值 为 124 A 的 脉 冲 电 流。针 对 上 述 大 电 压 的 问 题,2019 年,中国科学院的 WEN S 等 人[32]提出了将 雪崩晶体管作为预开关器件的方法, 有效提高了输出功率、减小了脉冲宽度和上升沿,该驱动器实现了小电压供电、大功率输出的功能。

  随着可编程器件的高速发展,由于其具有集成度高、灵活性大的特点,且触发脉冲具有上升沿快、频率高和脉宽窄且连续可调等优良性能,使得半导体脉冲激光器更具发展潜力。可编程逻辑器件的应用,有效解决了功耗高的问题。部分可编程逻辑器件应用于半导体脉冲激光器的发展现状如表 1 所示。

  随着光电子器件的飞速发展,对芯片集成度的要求愈来愈高,高性能的器件与布局的创新成为半导体激光器驱动源特性提升的重要技术手段。

  2010 年,天津津航技术物理研究所的王金花等人[39]通过提高电源电压、PCB 合理布局布线、 元器件合理选择以及开发激光器组件等方法,有效提升了激光发射的光脉冲前沿速度,得到了脉宽小于 5 ns、脉冲前沿小于 2 ns 和输出功率大于 100 W 的大功率窄脉冲,在激光引信应用中提高了其测距精度与抗云雾干扰能力。

  2013 年,中国工程物理研究院的王卫等人[40]为了稳定驱动砷化镓光导开关,通过分析 MOSFET 的导通特 性,采 用 合 理 的 高 速 MOSFET 设 计 了 大 功 率 半 导体 激 光 器 窄 脉 冲 驱 动 电 路,为 激 光 器 提 供 了 脉 宽 为15 ns、 抖动均方根小于 200 ps 和输出功率可达 75 W的脉冲电流。若通过改进脉冲发生电路,得到优质的初始触发脉冲,激光器能输出脉宽更小的光脉冲。同 年,林肯实验室的 SIRIANI D F 等人[41]研制了瓦特级、纳秒脉冲半导体激光器与集成驱动器,将激光器和低电 感 电 容 器 阵 列(LICA)直 接 焊 接 到 定 制 的 5 mm×5 mm 的 BiCMOS 驱动器芯片上,其激光驱动器配置如图 6 所示。在 5 ns 的窗口中向平板耦合光波导激光器(SCOWL)提供大约为 10 A 的电流,从而产生大于1 W 的 高 功 率 光 脉 冲 。通 过 光 纤 布 喇 格 光 栅 保 持SCOWL 的稳定,从而实现窄的光谱线宽发射,同时对激光器施加预偏置,达到了抑制法布里-珀罗(F-P)模式激射的目的,并在窄光谱带宽内产生矩形光脉冲。

  2015 年,北京交通大学光信息科学与技术研究所的李永亮等人[42]以 iC-HG 为驱动芯片设计了脉冲为980 nm 激光器的高性能驱动电路,该电路使激光器既能 输 出 连 续 光 也 能 输 出 脉 冲 光,脉 宽 最 小 为 10 ns,直 流 光 功 率 可 达 180 mW,脉 冲 峰 值 输 出 功 率 可 达160 mW,脉宽和激光功率实现了连续可调。

  2020 年,中国电子科技集团公司第十三研究所的张厚博等人[5]研制了一种 16 线集成半导体窄脉冲激光器模块, 该模块主要由高密度排列的激光器芯片、集成驱动电路和光电混合集成封装结构组成。其中,窄脉冲驱动电路采用新型的 GaN 功率器件。与传统的MOSFET 相比,该器件开关损耗、结电容等寄生参数较小,具有更快的开关速度。由于激光器芯片的高密度排列、集成封装和高精度贴片工艺的使用,极大程度地减小了模块的体积,实现了 16 线单独控制,得到脉宽为 6 ns、高功率为 70 W、功耗低至 4 W 的高性能模块。16 线模块整体结构图与光脉冲波形如图 7 所示。该模块可朝着更多线束、更窄脉宽和更高功率的方向发展。

  综上所述,半导体脉冲激光器主要通过优化激光器结构、材料和加工工艺及改进驱动电源特性的 2 种方式实现性能提升。本文主要对这 2 种方式的半导体脉冲激光器发展情况进行总结与分析,着重介绍了提升驱动电源特性 的 5 种方法。目 前,脉冲宽度 在 5~10 ns 的技术相对成熟,ps 级脉宽已成为该领域的必然发展趋势。但是,激光器在追求大功率的同时往往存在功耗高的问题,仍需进一步研究和解决。随着数字化与半导体光电子技术的发展,各领域对半导体脉冲激光器需求愈来愈大,因此研究大功率、窄脉冲、低功耗和小型化半导体脉冲激光器具有重大意义。

  以上内容来自光通信技术2021年第10期,江苏激光联盟陈长载返回搜狐,查看更多